Способ определения размеров броуновских частиц

Изобретение относится к оптике рассеивающих сред и может быть использовано для экспрессного определения по обратно рассеянному излучению размеров частиц по трассе зондирования в макронеоднородных средах с присущим каждой макронеоднородности своим размером образующих ее частиц.Цель изобретения - расширение об 1ласти применения способа путем определения размеров частиц в макронеоднородных средах.В устройстве для осуществления предлагаемого способа использован ин терферометр Майкельсона, в одном из плеч которого расположена исследуемая макронеоднородная среда, В качестве источника излучения используют многомодовый лазер непрерывного дей ствия в режиме ТЕМ О. Длина 61 когерентности его излучения на центральной длине волны Л определяется шириной ЛЛ спектрального интервала (числом Ч возбужденных аксиальных мод) и имеет величину Л /д Л, Подбо - ром режима работы источника величину Л Л выбирают такой, чтобы длина Д 1 когерентности была равна линейному размеру меньшей из макронеоднородно стей вдоль трассы зондирования, Это условие позволяет при равенстве длины опорного плеча оптической глубине Е центра -й макронеоднородности регистрировать в плоскости приема , Флуктуации интенсивности, обусловлен, ные интерференцией с опорной волной , света, рассеянного толькс частицамисоответствующей )-й макронеоднородно сти и точно определять их размер, 4 ОЕсли длина й 1 когерентности пре вышает линейныи размер какой-либо из макронеоднородностей вдоль трассызондирования, например 1,-й, то при ее,циагносцировании (равенстве длины опорного плеча оптической глубине Еобласти ее локализации) вклад в регистрируемый интерференционный сиг;.ал будут давать не только частицы дчагносцируемой 1-й макронеоднородно сти, но и рассеиватели из смежныхслоев среды, что в итоге снижает точность определения размера частиц наО ,.анной оптической глубине Г,к.В противоположном случае, когда длина В 1 когерентности существенна, меньше размеров макронеоднородностей среды, информативные Флуктуации интенсивности, обусловленные интерфе" ренцией с опорной волной рассеянногосвета из диагноспируемого объемасреды протяженностью й 1, будут малыпо сравнению с Флуктуациями интенсивности (самобиениями) всего осталь -ного некогерентного с опорным полемрассеянного света и прочими помехамии, следовательно, рассмотренная ситуация невыгодна с энергетической точки зрения, так как приводит к погрешности измерений вследствие низких отношений сигнал/шум,Поэтому для реализации оптимальныхс точки зрения точности измерений иэнергетики условий длина когерентности используемого источника должнасоответствовать ожидаемому масштабумакронеоднородностей среды,На Фиг, 1 изображено устройстводля осуществления предлагаемого способа; на фиг, 2 - зависимость модуляФункции у(Е) временной когерентностиот разности хода 2, = ст, (где с - скорость света при разной выходной мощности Р; 1 - время распространенияаксиальной моды).Способ осуществляют следующим образом,Излучение источника 1 делится светоделителем 2 на проходящий и отраженный пучки. Проходящий пучок падает на зеркало 3 опорного плеча, аотраженный пучок направляется в исследуемую макронеоднородную среду 4,Укаэанные пучки будем называть палееопорным и объектным Отраженныйзеркалом 3 и светоделителем 2 опорныйпучок сводится в плоскости приема(диафрагма 5) с обратно рассеянным ипрошедшим через светоделитель 2 излучением,Для удобства отсчета диагносцируемой глубины среды целесообразнопровести начальное уравнивание длиныХ опорного плеча (расстояние от свентоделителя 2 до зеркала 3) с расстоянием от светоделителя 2 до переднейграницы среды 4. В этом случае последующее увеличение длины опорногоплеча на величину Е обеспечит вплоскости приема интерференцию с опортной волной лишь излучения, рассеянного объемом среды протяженностьюцентром на оптической глубинеиЕ = Е /и (где и - показатель преломпения среды; Е - длина опорного плеча на глубине ), Эта интерференционФ размера ( в а 10с), удаплоскости приема на рас 1 м, следующие:-ес ) р ъ 2,:2 10 с; л ЛВ ( н - - 2: 015 мм,м г ф Одновременно с регистрацией информативных флуктуаций интенсивности (вследствие интерференции опорной волны и когерентного ей рассеянного света) детектор 6 будет. регистрировать и более слабые флуктуации интенсивности, порожденные интерференцией рассеянных частицами полей между собой (самобиения рассеянного света - СРС), не несущие информации о послойной структуре среды, Эти флуктуации имеют более широкий спектр и . при диагносцировании удаленных объемов среды могут искажать результаты измерений полуширины спектра мощности ИИС. Для оценки вклада СРС в коро реляционную функцию К (, 2 ) фототока(Фурье-преобразование которой определяет спектр мощности флуктуаций и соответственно его полуширину), необходимо воспользоваться соотношением: ег р (2)Т (2) В (лЯ , +2 Ва "ф Ф о К)(2 нЕ - 2 п 2 )дЕ з1402850 ная картина в плоскости приема (диа- микронного фрагма 5) представляет собой сложную ленного от структуру, изменяющуюся во времени стояние В вследствие броуновского движения ча 15 -3 стиц. Флуктуация фототокадетектора р "10Б 6, пропорциональные флуктуациям освещенности отверстия диафрагмы 5, назовем информационным интерференционным сигналом (ИИС). Весь остальной рас сеянный свет сложится с опорным полем некогерентно и не даст вклада в ИИС. При этом необходимо выполнение следующих условий. Во-первых, время усреднения схемы регистрации должно 15 быть существенно меньше времениБ корреляции броуновского движения частиц, но значительно больше времени 7 когерентиости излучения источника; во-вторых, размер г диаграммы 5 пе ред детектором 6 должен быть меньше радиуса корреляции г однократно рассеянного диагносцируемым объемом пот. 1 ля, Указанные требования легко реализуются на практике. Например, в ни жеописанном эксперименте при использовании лазерного излучения с, длиной когерентности, равной 3 1 = 6 см,о 2,10 ф с и диаметре зондирующего пучка, равном 2 г= 2 мм, условия 36 регистрации информационного интерференционного сигнала.от -го диагно сцируемого объема среды с частицами К(, 2 ф): Я(, 2 ф) . ( +ф, 2, щ с 1 (е )т (е.), н л, 2) 1 у (2 пе - 2 п 2,)де +3 . ю С 132где броиц С - постоянная;1 - интенсивность источникасвета;48 - площадь поперечного сечениязондирующего пучка; . 4 7 - время излучения источника и- соответственно коэффициент.обратного рассеяния частицыи концентрация частиц; В, - расстояние от поверхности 50среды до плоскости приема;- модуль функции временнойкогерентности излучения источника;2) - корреляционная функцияуновского движения частна глубине 2 среды;2) - .пропускание среды до глубины 2, равное ехр -(6(2)Йо. -показаправле п - показа 2 - оптиче- уровен ельного абления .нлуч ения; ль прелоглубина;однороднос Соотношение (1) получено для дальнейшей зоны приема в предположени-ях однократности рассеяния и малости изменения оптических характеристик среды на расстояниях порядка длины й 1 когереитности. Первый член опреоделяет вклад в К(, 2 ) информативного интерференционного сигнала, второй - самобиений рассеянного света (СРС)Если микрофизические параметры срщы неизвестны, то вклад СРС может быть оценен экспериментально при перекрытом опорном пучке.Полученная зависимость ( Е) представлена графически на Фиг 2, где кривая 7 соответствует (Е) при Р =20 мВт, кривая 8 соответствует (Е) при Р " 130 мВт, кривая 9 соответствует у(Е) при Р = 270 мВт и кривая 10 соответствует (Е) при Р720 мВт.10Формула изобретения Способ определения размеров броуновских частиц, основанный на облучении среды со взвешенными в ней 15 частицами пучком когерентного лазер ного излучения, регистрации полушири ны спектра мощности Флуктуаций интенсивности обратно рассеянного средой излучения и расчете по ней разме ра частиц, отличающийся тем, что, с целью расширения области применения путем определения разме- . ров.частиц в макронеоднородных средах, длину когерентности: д 1 излуче ния источника выбирают равной меньшему размерумакронеоднородностей вдоль трассы зондирования, разделяют исходное лазерное излучение на объектный и опорный пучки, облучают объектным пучком исследуемую среду, сводят в плоскости приема опорный пучок и обратно рассеянное средой излучение, проводят начальное уравнивание до плоскости приема оптических путей опорного излучения и света, отраженного передней границей среды, увеличивают оптический путь опорного излучения на величину Е , равную опо1 этической глубине среды, на которой с с пространственным. разрешением д 1 определяется размер частиц и регисторируют при каждом Е полуширину спектра мощности флуктуаций интенсивности, обусловленных интерференцией опорной волны и излучения, рассеянного диагносцируемым объемом среды протяженностью Д 1 с центром на глубине Ео(4 7,0 венного комитета СССРретений и открытий5, Раушская наб., д, 4/5